• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.290-290
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• 2011

수문모형은 여러 가지 기준에 따라 분류될 수 있으며 공간적 분포에 따라 집중형 모형과 분포형 모형으로 나뉜다. 한국건설기술연구원에서 개발한 CAT(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool) 모형은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 토지이용, 하도특성에 따라 집중형인 링크-노드 구성을 통해 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하며, 개발전후의 유출특성을 평가할 수 있도록 구성되어 있다. CAT은 다양한 물순환 개선 시설을 평가하고 사용자 편의 시스템을 제공하고 있으며 입력자료가 적고 지표수와 지하수의 상호작용 해석이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 CAT은 개발 초기 단계로서 현재도 모형의 보정이 이루어지고 있기 때문에 다양한 검증이 요구되고 있다. 본 연구의 목적은 소유역에서의 강우-유출 특성을 평가하기 위하여, 대상유역을 선정하여 유역수문특성을 조사 분석하고, CAT 모형을 적용하여 장기 유출량을 추정하여, 그 적용성을 평가하는 데 있다. 대상지구는 경기도에 위치한 CAT 모형을 이용하여 소유역의 장기 유출을 모의하여 실측자료와 비교함으로서 모형의 적용성을 평가하는 데 있다. 대상지구는 경기도에 위치하고 있는 발안저수지 유역의 HP#6 ($3.84km^2$) 소유역을 선정하였다. 발안 저수지 유역은 경기도 화성시에 위치하고 있으며, 1996년부터 서울대학교 지역시스템공학과에서 수문/수질 모니터링을 실시해오고 있다. 대상유역의 기상자료 및 유역 특성자료를 바탕으로 모형의 입력자료를 구축하였고, 모형의 적용성을 평가하기 위하여 1997년과 1999년의 일 유출량 실측 자료와 CAT을 통해 모의된 값을 비교하여 보정하였고, 2000년 자료를 이용하여 검정을 수행하였다. 모형의 적용성은 모형의 보정과 검정에 대한 결과에 대한 통계적 변량을 이용하여 평가하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.69-69
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• 2011

영산강 수계인 함평지역의 면적이 13.69ha인 논 유역에 건설기술연구원에서 개발된 수문모형인 CAT 모형을 적용하였다. 이 유역에서는 배수를 위해 플라스틱 파이프로 된 배수공을 쓰고 있으며, 배수공은 기존의 Weir Type의 물꼬와는 상이하게 Orifice 형식의 수리적 특성을 갖는다. 이러한 조건에 맞는 수문분석을 위해서 CAT 모형에 배수공을 위한 모듈이 추가되었으며, 현장 계측 자료를 이용한 적용성 평가가 요구되고 있다. 본 연구에서는 2008년부터 2010년까지 대상지역 논에서 모니터링 한 강우-유출 자료를 이용하여 논에서의 물수지 분석을 위한 CAT 모형의 적용성을 평가하였다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권11호
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• pp.26-41
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• 2016

본 연구에서는 물리적 매개변수 기반의 물순환모형 CAT(Catchment hydrologic cycle Assessment Tool)을 매개변수 자동보정 기법인 PEST(Model-independent Parameter ESTimation)와 연계하여 단기 유출 특성을 분석하였다. CAT모형의 유출 모의 시 CAT모형에서 지원하는 3가지 침투 해석 방법((Rainfall excess, Green&Ampt and Horton)을 적용하였으며, 대표적인 단기 유출모형인 HEC-HMS를 비교 모델로 설정하여 모의 결과를 비교 분석하였다. 대상유역은 탄천의 지류인 운중천과 금토천이 포함된 판교 시험유역으로 유역면적은 $22.9km^2$이며, 유로연장은 9.2km이다. 2006, 2007년 중 누적 강우량 40mm이상에 해당하는 6개의 강우사상을 대상으로 모의를 실시하였다. 주요 매개변수를 대상으로 첨두유량, 첨두시간, 유출용적에 대한 민감도 분석 수행 후, PEST를 적용하여 유출 특성에 민감하게 반응하는 토양 관련 매개변수들에 대해 최적화를 수행하였다. 모의 결과 HEC-HMS의 경우 6개 강우사상에 대해 NSE가 0.63~0.91이었으며, CAT-PEST는 NSE 0.42~0.93의 모형 효율을 보였다. 선행토양함수조건에 따라 유출특성이 민감하게 반응하는 강우사상에 대해서는 HEC-HMS의 모의 정확도가 높았으나 강우 특성에 따라 유출특성이 민감하게 반응하는 경우에는 한계가 있는 것으로 보인다. 물리적 매개변수가 입력자료로 사용되는 CAT-PEST의 경우 다양한 유출특성을 가진 강우 사상에 대해 정밀한 유출 분석이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.159-163
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• 2009

CAT(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool)은 기존 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장점을 최대한 집약하여, 도시유역 개발 전 후의 장 단기적인 물순환 변화 특성을 정량적으로 평가하고 물순환개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다. CAT은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출 특성을 객관적으로 반영할 수 있으며, 개발 공간 단위별로 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하도록 하는 Link-Node 형식으로 개발되었다. 모형의 UI(User Interface)는 사용자가 손쉽게 모형을 적용 관리하고, 여러 시나리오를 동시에 효과적으로 모의하여 분석할 수 있도록 설계되었다. 또한 모든 입력 출력 자료를 Excel이나 텍스트 형식과 연동되도록 하여 프로젝트별 매개변수 관리가 용이하도록 개발하였다. CAT의 수문해석모듈로 증발산, 침투, 유역 유출, 지하수 유거, 하도추적 등의 모듈을 개발하였다. 증발산은 기준 증발산을 외부에서 직접 입력하거나, Penman-Monteith 방법을 선택할 수 있으며, 침투는 토양의 수리전도도에 따른 연직방향 침투 및 사면방향 복귀류를 고려할 수 있다. 노드의 지하수 유거를 고려하여 기존 노드-링크 방식 모형의 장기 유출 해석시 제한점을 보완하였으며, 하도추적을 위해 Muskingum, Muskingum-Cunge, Kinematic wave 방법 등의 해석법을 제공하였다. CAT의 수문모듈을 이용하여 설마천 유역을 단일노드 및 멀티노드로 개념화하여 모의하였으며, 모의결과를 관측유량과 비교한 결과, 두 경우 적절한 범위내의 결과임을 확인할 수 있었다. CAT의 안정적인 수문해석 기능을 바탕으로 향후 물순환개선시설 모듈과의 결합을 통해 장기 물순환 해석에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.168-168
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• 2016

도시화는 수문학적으로 산림이나 농경지와 같은 투수지역을 건물, 도로 등의 불투수 지역으로 변화시키는 것이며, 이로 인하여 홍수파의 도달시간이 줄어들고 첨두유량이 증가하는 등의 수문변화를 수반하게 된다. 도로나 건물 등이 대부분을 차지하고 있는 도시지역에서는 지표면이나 식생으로부터 대기 중으로 방출되는 증발산량이 농촌이나 산림지역보다 상대적으로 적으며, 강우시 토양중의 침투량과 지표면의 저류량도 도시지역에서는 매우 적게 나타난다. 도시화 전 후의 물순환특성을 평가하기 위해서는 도시 개발 전 후의 장단기 수문 관측 결과를 기초로 물순환계를 구성하는 인자간의 관계를 정량적으로 분석하고 물순환계 구성요소의 일부 변화가 다른 부분에 미치는 영향을 평가할 필요가 있다. 즉, 도시화가 물순환 구조 변동에 미치는 영향을 정량적으로 평가함으로써 유역 전체의 건전한 물순환 체계를 유지할 수 있는 대책 수립이 가능하다. 본 연구에서는 판교신도시 개발에 따른 유역에서의 홍수 및 유출특성 변화의 정량적 규명을 목적으로 두고 집중형 모형인 HEC-HMS모형과 물리적 기반의 준분포형 모형인 CAT을 이용하여 판교신도시 개발전의 정량적 물순환 특성을 평가하였다. 대상유역은 지방 2급 하천 탄천의 지류인 운중천, 금토천이 포함된 판교유역이며, 유역면적은 약 $25km^2$이다. 이 중 유역면적의 38 %에 해당하는 지역이 개발되었으며 개발된 지역은 하류부근에 위치한다. 강우자료는 지상 강우관측소인 수원 관측소의 지점강우 자료를 이용하였다. 도시 개발 전 단계에 해당하는 2006년, 2007년 호우사상 중 누적강우량 50 mm 이상인 호우사상을 추출하여 모의를 수행하였다. 유출 특성 분석을 위해 12개의 소유역과 5개의 하도로 구성하였으며 HEC-HMS의 손실량 산정방법으로는 SCS Curve Number법을 사용하였고, 단위도는 Clark 단위 도법을 적용하였다. CAT모형에서 침투는 Rainfall Excess방법, 하도추적은 Muskingum 방법을 적용하였다. 관측치와 모의치의 적합도 검증을 위해 RMSE (Root Mean Square Error), NSE (Nash Sutcliffe Efficiency), $R^2$값을 산정하여 비교 분석하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제47권1호
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• pp.1-10
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• 2014

본 연구는 태화강을 비롯한 동천, 회야강 및 청량천 등 울산의 주요 하천유역을 대상으로 최근 한국건설기술연구원이 개발한 CAT모형을 이용하여 물순환 분석을 실시하였다. CAT모형의 적용을 위해 태화강은 25개, 동천은 11개, 회야강은 17개 그리고 청량천은 5개의 소유역으로 분할하여 유출기여유역과 함양유역으로 구분하는 개념을 적용하였다. 대상유역에서 1975년도와 2008년에 실측된 강우량과 토지이용도 변화 등의 수문자료를 이용하여 물순환 분석을 실시한 결과, 4개 하천유역 모두에서 도시화에 따른 불투수 면적의 증가로 인해 표면유출은 중가하고 중간유출은 감소하는 것으로 나타났다. 태화강과 태화강의 지천인 동천유역의 표면유출 증가는 1.7%와 2.4%로서 비교적 적고, 회야강과 청량천은 3.2%와 7.7%로 증가폭이 큰 것은 유역의 개발에 따른 도시화율 증가의 정도를 잘 반영하는 것으로 분석되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.186-186
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• 2018

본 연구에서는 매개변수 자동 보정기법인 PEST(Model-Independent Parameter Estimation and Uncertainty Analysis)를 CAT 모형에 연계하여 유출특성 분석을 실시하였다. CAT-PEST 연계모형은 CAT 모형의 모의유출량을 이용하며 PEST의 반복계산을 통하여 최적 매개변수를 추정한다. 침투방법은 CAT에서 제공하는 Rainfall Excess 방법, Green and Ampt 방법 및 Horton 방법을 이용하였으며 각 침투방법에 따른 유출 특성을 비교 및 분석하였다. 연구대상유역은 보령 댐 유역으로 유역면적은 $163.7km^2$이며 전체면적의 약 80%가 산지로 구성되어 있고, 유로연장은 22.3km, 유역평균경사는 40.19%이다. 또한 보령댐 유역의 월평년값 평균기온은 -0.8에서 $25.5^{\circ}C$로 계절변동이 매우 큰 것을 알 수 있다. 최근 몇 년간 심각한 가뭄 피해를 입은 보령댐 유역은 2016년에 도수관로를 완공하여 이를 통해 금강으로부터 물을 끌어다 쓰고 있는 실정이며, CAT 모형에서는 금강도수유입량을 외부유입 처리하여 유출량을 산정하였다. 모의기간은 1999년부터 2017년까지이며 전체기간에 대한 보정 후 연도별 보정을 실시하였다. 통계적 평가수단은 $R^2$, RMSE 및 NSE를 사용하여 유역 최종출구점에서의 유출량과 비교하였으며 전체기간에 대한 보정결과 NSE와 $R^2$가 0.75 이상으로 나타나 대체적으로 모의 유출수문곡선이 관측 수문곡선과 유사한 양상을 보였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.996-1000
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• 2009

물순환계를 종합적으로 관리하기 위해서는 물순환계의 모니터링과 해석모형의 구축이 필요하다. 실측자료만으로는 복잡 다양한 물순환계 구조 및 인과관계를 규명할 수 없기 때문에 시간적 공간적으로 변화하는 다양한 수문현상을 일관된 하나의 시스템으로 이해하기 위해 물순환 해석모델을 구축하여 검토할 필요가 있다. CAT(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool)은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출 특성을 객관적으로 반영할 수 있게 하며, 토양층에 따라 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하도록 하는 Link-Node 모형으로, 증발산은 기준 증발산을 외부에서 직접 입력하거나, Penman-Monteith 방법을 선택할 수 있으며, 침투는 토양의 수리전도도에 따른 연직방향 침투 및 사면방향 복귀류를 고려할 수 있다. 노드의 지하수 유거를 고려하여 기존 노드-링크 방식 모형의 장기 유출 해석시 제한점을 보완하였으며, Muskingum, Muskingum-Cunge, Kinematic wave 방법을 이용하여 하도추적을 모의할 수 있다. 또한 GUI를 통해 사용자가 손쉽게 모형을 적용하고 관리 할 수 있도록 하고, 여러 시나리오를 적용함에 있어서 편리하도록 개발 중인 모형이다. 본 연구에서는 개발중인 CAT 모형을 평가 하기위해 시험 유역으로 운영 중인 설마천 유역에 적용하여 소유역 분할(노드수), 계산 시간 간격(일/시단위) 등에 따른 적용성을 평가하였다. 관측 자료를 통해 구축 가능한 물리적 매개변수를 통해 해당 유역을 단일 노드 및 다중 노드로 간단히 모형화할 수 있었으며, 모의 결과, 관측 유량과 적절히 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 1시간 단위에 대한 모의에서도 유출을 적절히 모의할 수 있었으며, 소규모 유역에 대한 정밀한 물순환 해석이 가능할 것으로 평가되었다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제45권2호
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• pp.203-215
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• 2012

본 연구의 목적은 도시개발의 영향을 평가하고 물순환 개선시설의 적절한 배치를 설계하기 위한 물순환 해석 모형을 개발하는 것이다. 개념적 매개변수를 사용하는 기존의 집중형 수문모형으로는 도시개발로 인한 토지이용 변화 등의 유역 특성 변화를 적절히 모의하는데 한계가 있으며, 최근 활발히 연구되고 있는 분포형 수문모형은 입력자료 구축 및 모형 구동에 많은 시간과 노력이 필요하여 다양한 도시설계 대안을 평가하기에는 적절하지 못하다. 유역 물순환 해석 모형(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool, 이하 CAT)은 이러한 배경을 토대로 개발된 물리적 매개변수 기반의 링크-노드 방식의 물순환 정량화 모형이다. CAT은 기존 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장단점을 최대한 보완하여, 도시유역 개발 전 후의 장 단기적인 물순환 변화 특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다. 개발된 모형의 평가를 위하여 설마천 유역을 대상으로 모의를 수행하였으며 출구점인 전적비교의 6개년(2002~2007) 동안의 시간별 하천 유출량 자료를 이용하여 모형의 보정(2002~2004)과 검정(2005~2007)을 실시한 결과, 보정과 검정기간의 Nash-Sutcliffe 모형효율계수는 각각 0.75와 0.89로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.121-121
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• 2011

도시유역 물순환 해석 모형(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool, CAT)은 기존의 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장점을 최대한 집약하여, 도시유역 개발 전/후의 장/단기적 물순환 변화특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다. 이 모형은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출 특성을 객관적으로 반영할 수 있으며, 개발 공간 단위별로 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하도록 하는 링크-노드 방식으로 개발되었다. 모형의 UI(User Interface)는 사용자가 손쉽게 모형을 적용/관리하고, 여러 시나리오를 동시에 효과적으로 모의하여 분석할 수 있도록 설계되었다. 또한, 모든 입/출력 자료를 엑셀이나 텍스트 형식과 연동되도록 하여 프로젝트별 매개변수 관리가 용이하도록 개발하였다. 특히 본 모형에서는 사용자의 목적에 맞는 다양한 물순환 개선시설(침투시설, 저류지, 습지, 빗물저장시설, 리사이클 및 외부급수 등)의 구현 및 모의가 가능하도록 개발하였다. CAT은 수자원의지속적확보기술개발사업(2008 ~ 2011)의 연구 성과로서 한국건설기술연구원에서 개발하였다. 2008년 말에 모형의 기본구조가 개발되었고, 2009년에는 세부 알고리즘인 증발산, 침투, 유역 유출, 지하수 유거, 하도추적 등의 모듈과 사용자 편의시스템이 개발되었다. 2010년에는 우리나라 논의 특성을 반영한 논 유출 해석 모듈 및 저류지, 침투시설, 습지, 빗물이용시설 및 하천에서의 취수와 도수 등과 같은 물순환 개선시설을 평가할 수 있는 모듈을 추가하여 개발하였으며 2010년 3월에 도시유역 물순환 해석 모형 1.0 베타 버전을 출시하였다. 2010년 12월 에는 1.0 베타 버전에 침투해석모듈(Green&Ampt, Horton), 논에서의 개량물꼬 배수, 침투녹지(Bioretention) 및 차집관거 기능을 추가하였고, 기타 GUI의 업그레이드 및 추가를 통하여 1.5 베타 버전을 출시하였다. 현재까지 여러 자연유역과 신도시 개발지역에 대한 적용을 통하여 모형의 적용성을 평가하였다. 본 연구에서는 기존의 자연유역과 신도시 개발지역 외에 농업용 저수지와 논 관개지구가 위치한 유역을 대상으로 모형의 적용성을 평가하고자 하였다. 대상유역은 농업용수 지구이며 농업수리시설의 종류와 규모가 다양할 뿐만 아니라 농촌유역으로써의 대표성을 가지고 기존의 관측자료가 풍부한 점 등을 고려하여 경기도 평택의 이동유역을 선정하였다. 이동유역은 행정구역으로는 경기도 용인시 이동면, 남사면 일원이며 서쪽은 경기도 오산시, 남쪽은 평택시, 안성시 그리고, 북쪽은 용인시와 인접하고 있다. 이동유역 내 주요시설로서 유역면적 $94.4km^2$의 이동저수지와 상류에 용덕저수지($12.41km^2$)와 미산저수지($4.39km^2$), 노곡저수지($2.00km^2$)의 3개 저수지가 위치하며 2개의 유입하천(진위천, 송전천)에 의해 이동저수지로 유입된다.